바이오인

한국생명공학연구원 오가노이드 기술 현황

2023년도 KRIBB 워킹그룹 이슈페이퍼 제7호

◈ 목차

1. 서론

2. 국내외 연구개발 동향

  2.1 국내외 연구현황 및 전망

  2.2 국내외 특허동향

  2.3 국내외 정책 동향

3. 결론 및 시사점

  3.1 생명(연) 역량

  3.2 생명(연) 오가노이드 기술 발전방안 제안

◈본문

1. 서론

□ 개요

• ○동물실험을 대체할 시험법으로 오가노이드 기반 평가 플랫폼 기술

• ╶︎지난해 조 바이든 미국 대통령이 식품의약국 현대화법 2.0(FDA Modernization Act 2.0)에 서명함에 따라 비임상 단계에서 동물실험 결과 없이도 의약품 허가 신청을 할 수 있도록 의무 조항이 완화되면서 동물실험을 대체할 시험법으로 오가노이드 기반 약물 평가 플랫폼이 각광을 받고 있음

• ╶︎스위스 다국적 제약회사인 로슈(Roche)는 2023년 5월 4일 오가노이드를 이용한 인간 모델 시스템 분야 연구 발전을 위해 ‘인체생물학 연구소(Institute of Human Biology, IHB)’를 설립하고, 장 오가노이드 최초 개발자이자 오가노이드 연구 선구자인 Hans Clevers 박사를 로슈 제약 연구/초기 개발(pRED) 연구소장으로 임명

• ○오가노이드의 높은 잠재력과 재생의학 치료제로써의 활용 가치

• ╶︎오가노이드 다양한 질환을 치료할 수 있는 재생치료제로써 높은 잠재력을 가지고 있으며, 최근 3D 프린팅을 포함한 공학 기술의 발달로 인해 높은 기능성을 가진 다양한 장기조직 구조 제작이 가능해짐

• ╶︎미국의 경우 다양한 오가노이드 제품들이 공학 기술과 접목되어 시제품 제작 및 생산 단계에 이르고 있어 새로운 질병에 대한 치료 가능성을 높이고 있음

• ○차세대 바이오의약 혁신 기술 선도를 위한 오가노이드 기술

• ╶︎오가노이드 기술은 비임상 모델, 신약의 독성·효능 평가 기술, 첨단 대체 시험법, 재생 치료제 기술 개발을 위한 높은 활용 가치 제공

• ╶︎오가노이드는 증가하는 수요에 따라 조직, 장기별 제품 및 서비스 출시가 점차 확대되고 있는 실정

• ╶︎새로운 비임상 모델 및 신약 개발 플랫폼으로서 동물실험을 대체하고, 약물의 인체 반응성 및 독성을 높은 정확도로 예측함에 따라 치료제 개발의 효율을 증대시킬 수 있는 차세대 모델시스템으로 부상하고 있음

□ 배경 및 필요성

• ○첨단 오가노이드 기술의 적극적 활용을 통한 미래 이슈 대응 필요

• ╶︎신약개발을 위한 평가 플랫폼 용도로 주로 개발되는 오가노이드 기술은 타 분야와 융합 기술개발을 통해 오가노이드 재생치료제, 오가노이드 기반 바이오 인공장기, 우주바이오 의약, 재난 대응을 위한 인체모델 등 재생의약 및 대체장기 등 활용분야의 확대와 함께 신산업 창출이 가능

• ╶︎오가노이드 기술의 다양한 활용을 위한 가이드라인 제정 및 산업적 활용에 걸림돌이 되는 규제를 발굴하여 해소하는 정책적 지원 필요

2. 국내외 연구개발 동향

2.1 국내외 연구현황 및 전망

□ 연구 동향

• ○정밀의료의 발전은 신약개발의 새로운 돌파구로 각광받고 있고, 생체 조직공학, 바이오장기 등 타 기술과의 융합을 통해 활용 범위가 확대되고 있음

• ╶︎※ 오가노이드 기술을 이용한 개인맞춤형 전임상 시험 모델 및 방법론 확대

• ○오가노이드 기술은 현재 바이오 관련 연구와 산업계에 중추적인 역할을 하고 있으며, 관련 논문의 출판이 지난 수 년간 급증하고 있음

• ╶︎분석 결과, 오가노이드 논문을 가장 많이 발표한 국가는 미국, 중국, 일본, 독일 순이며, 우리나라는 총 123편으로 7위를 차지하고 있음

• ╶︎※ 줄기세포 및 오가노이드 연구 주제 관련 논문 출판 수 변화 (PubMed 검색)

출처: NRF R&D Brief 2021-23호 (2021.11.15.)

• ※︎※ 기관별 순위는 Hans Clevers 그룹이 속해있는 네덜란드 University Medical Center Utrecht가 1위, Harvard Medical School이 2위를 차지하고 있으며, 전분화능 줄기세포 기반 장 오가노이드 전문가인 James Wells 그룹과 간 오가노이드 전문가인 Takanori Takebe 그룹의 소속 기관인 Cincinnati Children’s Hospital Medical Center가 5위를 차지함

□ 분야별 연구현황

• ○장 오가노이드

• ╶︎장 오가노이드는 가장 활발하게 연구되고 있는 분야로 오가노이드 균질화 및 대형화를 통한 플랫폼 기술 개발, 암과 감염병 같은 다양한 질환 모델링, 질병 치료를 위한 신약 스크리닝 등 다양한 분야에서 많은 연구 결과들이 발표되고 있음

• ╶︎※ 스위스 EPFL 소속의 Matthias Lutolf 그룹에서 공학 기술을 이용하여 오가노이드 균질화, 대형화 연구를 수행함(’20 Nature Biomedical Bioengineering, ’20 Nature Materials지 발표)

• ╶︎※ Hubret University 소속의 Hans Clevers 그룹에서 암 오가노이드 biobanking 및 약물 스크리닝 연구 결과를 발표하였고, 최근 SARS-CoV-2 바이러스 감염병 모델링 연구 결과를 보고하기도 함(’16 Cell, ’20 Science지 발표)

• ╶︎최근 단일 전사체 분석이나 공간 전사체 분석과 같은 기술을 통해 장 오가노이드와 실제 사람 장의 차이를 분자 수준에서 이해하고자 하는 연구가 활발히 수행됨

• ╶︎※ Hubret University 소속의 Alexander van Oudennaarden과 Hans Clevers 그룹의 공동연구를 통해 장 오가노이드 단일 세포 전사체 분석을 최초 보고함(’15 Nature)

• ╶︎※ University of Basel 소속의 J. Gray Camp와 University of Michigan Medical School의 Jason Spence 그룹의 공동연구를 통해 전분화능 줄기세포 유래 장 오가노이드와 사람 장 조직의 단일 세포 전사체 비교 분석 결과를 발표함(’20 Cell Stem Cell, ’21 Cell지 발표)

• ╶︎장 오가노이드는 오가노이드 분야 선구적 모델시스템으로 기초연구 뿐만 아니라 재생치료를 위한 세포치료제로서 임상 단계에 돌입하여 장 질환 치료제로 효능을 검증하고 있는 단계로 진입함

• ╶︎※ 비임상 실험에서 인간 장 오가노이드의 재생효과가 확인되어 장 오가노이드를 이용한 장 조직 재생치료 의약품 개발 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있는 추세

• ╶︎※ 세계적 추세에 발맞춰 우리 정부는 제2차 국가첨단전략산업위원회(2023년 5월 26일)에서 바이오 분야 2개 기술을 신규 지정하였고, 고품질 오가노이드 재생치료제를 개발/제조하는 데 적용되는 오가노이드 분화/배양 기술이 그 중 하나로 지정됨

• ╶︎※ 오가노이드사이언스는 지난해 8월 크론병에 의한 난치성 궤양 재생치료를 위한 장 오가노이드 치료제 개발 및 임상시험 진입에 이어, 올해 6월 베체트 장염 치료제 개발을 위한 장 조직 유래 오가노이드 기반 임상용 의약품 임상 1상을 승인받아 진행 중

• ○피부 오가노이드

• ╶︎3차원 체외 배양시스템에서 인간 전분화능 줄기세포로부터 피부의 다양한 피부층, 모낭, 피지선, 메르켈 세포 및 감각 뉴런 등을 포함하는 구조적 특징을 반영한 피부 오가노이드 모델이 확립되었음

• ╶︎※ Boston Children’s Hospital 및 Harvard Medical School 소속의 Karl R. Koehler 그룹에서 2022년 피부 오가노이드 배양기법을 보고함(’22 Nat. Protoc.지 발표)

• ╶︎다양한 ‘Genetoxic stress’에 대한 피부 조직 반응을 평가하기 위한 3차원 각질 오가노이드 배양 연구가 진행되고 있음

• ╶︎※ Tokyo Institute of Technology 소속의 Mikio Shimada 그룹에서 hiPSC 유래 각질세포 분리 및 3차원 오가노이드 배양기법 구축을 보고함(’22 Methods Mol Biol.지 발표)

• ╶︎피부 오가노이드는 다양한 피부질환 모델링 및 치료효능 평가 플랫폼 구축을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 피부질환 치료제 개발에 활용 가치가 높음

• ╶︎※ Peking Union Medical College Hospital의 Ling Leng 그룹에서 국소화 경피증 질환 치료를 위한 hiPSC 유래 오가노이드 모델 구축 및 치료효능 보고(’22 Adv. Sci.지 발표)

• ╶︎※ 서울대학교 강경선 교수 연구팀에서 피부 오가노이드 기반 Staphylococcus aureus(SA) 집락화 및 감염에 의한 아토피 피부염 모델링 및 치료효능 플랫폼 개발(’23 iScience.지 발표)

• ╶︎※ Leiden University Medical Center 소속의 Karine Raymond 그룹에서 수포성 표피박리증 질병모델링을 위한 epidermal-dermal junction(EDJ)이 특성화된 피부 오가노이드 구축 및 기전연구를 보고함(’22 Stem Cell Reports.지 발표)

• ○간 오가노이드

• ○[간 오가노이드 제작 기술]

• ╶︎전분화능 줄기세포를 간 전구세포(hepatic endoderm) 단계까지 분화시킨 후, 중간엽줄기세포, 혈관내피세포와 3D 공배양하여, 간 싹(liver bud) 단계에 해당하는 간 오가노이드를 최초로 개발

• ╶︎※ Yokohama city hospital 소속의 Hideki Taniguchi 그룹에서 2013년 최초로 보고했으며 동물에 이식하기 전까지 기능적으로 미성숙함(’13 Nature지 발표)

• ╶︎인간 간 조직 내 존재하는 EpCAM+ 성체줄기세포를 3차원 배양하여 시스트 형태의, 조직 유래 간 오가노이드를 최초로 개발

• ╶︎※ Hubret University 소속의 Hans Clevers 그룹에서 2015년 최초로 보고(’15 Cell지 발표)

• ╶︎※ 이후 동일 그룹에서 인간 간세포(primary human hepatocytes)로부터 장기간 증식 가능한 기능성의 3D 간 오가노이드(hepatocyte organoids) 제작 기술 개발(’18 Cell지 발표)

• ○[간 오가노이드 기반 질환 모델링 및 평가 플랫폼 기술]

• ╶︎전분화능 줄기세포 기반 간 오가노이드를 이용한 다양한 간 질환 모델링 및 독성평가 플랫폼 개발

• ╶︎※ Cincinnati Children’s hospital 소속의 Takenori Takebe 그룹에서 활발하게 연구 수행 중; 지방간염 모델 개발(’19 Cell Metabolism), 간 손상을 예측할 수 있는 다중유전자 위험 점수를 계산하고 간 오가노이드 모델을 이용하여 검증(’20 Nature Medicine), 간 오가노이드 기반 간독성 스크리닝 플랫폼 제시 (’21 Gastroenterology), 대규모의 정상 또는 환자 유래 간 오가노이드 집단을 분석하여 유전인자와 지방간염 사이의 상관관계 규명(’22 Cell)

• ╶︎※ Genome Institute of Singapore 소속의 Yun-Shen Chan 그룹에서 hepatocytes와 cholangiocytes가 구조적으로 구분되는 간 오가노이드 제작, 지방간염 및 약물에 의한 담즙정체 독성평가 모델을 제시(’20 Gastroenterology지 발표)

• ╶︎※ Stanford 소속의 Gray Peltz 그룹에서 CRISPR 기반 ARPKD 유전질환 간 오가노이드를 제작하여 오가노이드 기반 간 섬유화 모델 제시(’21 Nature communications지 발표)

• ╶︎조직 유래 간 오가노이드를 이용한 질환 모델링 기술 개발

• ╶︎※ Hans Clevers 그룹에서 인간 간세포 오가노이드 모델을 이용하여 CRISPR 기반 지방간 질환 모델링 및 약물 스크리닝 플랫폼 개발(’23 Nature biotechnology지 발표)

• ○신장 오가노이드

• ╶︎2014년부터 전분화능 줄기세포로부터 신장 오가노이드의 분화 프로토콜이 발표되고 있으며, Little 연구팀과 Bonventre 연구팀이 연구를 주도하고 있음

• ╶︎주요 연구개발 내용으로는 집합관의 부재를 극복하기 위해 metanephric mesenchyme과 Ureteric bud의 전구세포를 공배양하여 집합관이 존재하는 오가노이드 제작에 성공하였으며, 유체를 흘려주어 혈관화 및 성숙도를 높이는 연구가 진행됨

• ╶︎※ 미국 보스턴의 Harvard 대학교와 Brigham and Women’s hospital의 공동연구 성과를 최근 발표함(’19 Nature Methods지 발표)

• ╶︎또한 탈세포 시킨 돼지의 신장 ECM을 활용하여 신장 오가노이드 성숙도를 높이거나 혈관화 신장 오가노이드를 구현하는 결과를 제시하였음

• ╶︎※ 국내 김용균 교수님 팀에서 혈관화 신장 오가노이드 및 fabry병 신장 오가노이드 질환 모델링을 발표하였음 (’22 Advanced Science지 발표)

• ╶︎※ Leiden University Medical Center 소속 Ton J. Rabelink group에서 분화된 신장오가노이드를 mouse에 이식하였을 경우 신장의 관 세포 뿐 아니라 기질 세포의 성숙도 및 혈관화가 촉진되는 결과를 발표하였음 (’22 npj regenerative medicine지 발표)

• ╶︎전분화능 줄기세포 유래 신장 오가노이드 외에도 사람의 신장 조직 유래 tubuloid 역시 연구 보고된 바 있으며 이를 활용한 신장 질환 모델링 연구도 진행되고 있음

• ╶︎※ Hans Clevers group에서 2019년 tubuloid를 최고 보고한 이후(’19 nature biotechnology지 발표) 최근 전분화능 줄기세포 유래 신장오가노이드에서 tubuloid를 분리하여 long-term culture가 가능한 tubuloid 배양법을 제기하였음 (’23 PNAS지 발표)

• ○망막 오가노이드

• ╶︎기능적인 생체 망막의 구성세포를 포함하는 망막 오가노이드 제조 기법이 개발되어 세포의 발달 과정과 조직 내 상호작용 기전 등 관련 연구가 진행 중에 있고, 유전자 편집 기술의 응용과 더불어 시력 회복을 위한 이식 연구가 시작됨

• ╶︎※ Johns Hopkins University 소속의 Robert J. Johnston Jr 그룹에서 빛에 반응하는 광수용체(photoreceptor)와 삼색광을 감지하는 원추세포(cone subtypes: blue/green/red)를 모두 포함하는 인간 배아줄기세포 유래 망막 오가노이드를 보고함(’18 Science지 발표)

• ╶︎※ 프랑스 소르본대학의 Goureau그룹에서 인간 전분화능 줄기세포 유래 망막 오가노이드 내 CD73 양성 광수용체를 분리하여 래트(rat)에 이식 후 시기능 회복에 성공하여 새로운 치료전략을 제시함(’18 Stem Cell Reports지 발표)

• ╶︎단일세포 분석, 공간 전사체 분석, 후성유전체 분석 등을 통해 망막 오가노이드의 특성 분석 및 실제 사람의 망막과의 차이점 분석함으로써, 망막 오가노이드 분화도와 인간의 망막 발생 단계를 비교하는 연구들이 활발히 진행되고 있음

• ╶︎※ Washington University 소속의 Thomas A. Reh 그룹에서 배아줄기세포 유래 망막 오가노이드와 인간 망막 조직의 단일세포 전사체 및 ATAC-seq 분석을 비교하고(’20 Cell reports, ’22 Cell reports지 발표), Basel University 소속의 J.Gray Camp 그룹에서 망막 오가노이드의 분화 단계에서 공간전사체 분석을 최초로 보고함(’23 Nature biotechnology지 발표)

• ╶︎※ USTC(University of science and technology of China) 소속의 Tian Xue 그룹에서 인간 망막 오가노이드의 epigenomic profiling을 분석하여 보고함(’20 Science advances지 발표)

• ╶︎최근 인간 망막의 복합성뿐만 아니라 다중 장기를 모사할 수 있는 multi-organoid, 어셈블로이드, organ-on-a-chip(OoC) 연구가 진행되고 있음

• ╶︎※ Heinrich-Heine-University의 Jay Gopalakrishnan 그룹에서 최초로 미니 뇌-망막 어셈블로이드를 개발하였으며, 어셈블로이드 내의 신경세포의 상호작용과 빛에 의한 반응성이 관찰됨을 증명함(’21 Cell Stem Cell지 발표)

• ╶︎※ Tubingen University의 Peter Loskill 그룹에서 망막신경세포와 망막색소상피세포의 상호작용을 모사할 수 있는 Retina-on-a-chip을 개발함(’19 eLife지 발표)

• ○폐 오가노이드

• ╶︎성체유래 AT2세포와 PDGFRa+세포를 공동으로 3D 배양함으로써, 폐 조직 유래 폐오가노이드 제작법이 Barkauskas와 동료들에 의해 2013년 최초로 개발되었으며, 2015년 전분화능 줄기세포주로부터 폐 오가노이드를 제작하는 방법이 보고되었음

• ╶︎※ 미국 University of Michigan Medical School의 Jason R Spence 그룹에서 hPSC유래 폐 오가노이드 제작법을 최초로 보고하였으며(’15 eLife지 발표), 이후 많은 연구그룹에서 폐 오가노이드 제작법 관련 연구논문을 보고하고 있으며 특히 Darrel N. Kotton연구팀에서 다양한 폐 오가노이드모델을 발표하고 있음(’17 Cell Stem Cell, ’20 Cell Stem Cell, ,’23 AJRCCM)

• ╶︎COVID19 팬데믹 시기에 폐 오가노이드 기반 감염병연구가 활발히 발표되었으며, 최근에는 혈관세포, 면역세포, 폐-섬유아세포 등의 비실질세포와의 상호작용모델이 활발히 연구되고 있음

• ○3차원 배양 기반 스페로이드(spheroid) 기술

• ╶︎3차원 배양기술은 세포외 기질이 없이 세포와 세포를 뭉치게 자라게 하는 Scaffold-free 방식과 세포외기 공간에 3차원으로 배양하는 Scaffold 방식으로 나누게 되며, 실험의 목적에 따라 다양한 실험 변수들의 적용이 가능한 모델이 개발되고 있음

• ╶︎기존의 암세포 배양 방법인 2D 세포 배양과 비교하였을 때, 스페로이드는 고형 종양을 훨씬 더 정확하게 모방하고 있고, 이를 통해 연구자가 세포 간 상호작용, 종양 세포가 영양소를 흡수 및 증식하는 방법을 시각화할 수 있도록 함

• ╶︎스페로이드는 전임상 약물 Screening 및 Validation에 이상적임. 약물의 종양 침투 능력과 전이에 대한 억제 효과를 관찰할 수 있음

• ╶︎다른 3D 세포 배양 방법과 비교하였을 때 스페로이드는 종양 생물학과의 연관성이 높으며, 저렴한 비용, 동물모델보다 적은 노동력 소모, 재현성, high-throughput screening과의 통합 용이성, 고급 imaging 기술 등의 여러 이점이 있음

• ╶︎암 연구에서 Cancer spheroid 모델을 이용하여 균질한 신약 개발 HTS 스크리닝이 가능하게 되었으며, 최근 들어 imaging 기술을 도입한 HTS confocal imaging system이 개발되어 보다 빠르고 효과적으로 신약 개발 스크리닝이 가능해짐

• ╶︎※ 3D Tumor spheroid microarray 시스템을 통해 cytotoxicity 확인(’21 Communications Biology지 발표), MBD기업에서 3D cell-based high throughput 스크리닝 칩 개발

• ╶︎3D printer를 이용하여 하나의 타깃 세포의 spheroid의 제작이 아니라 주변 세포(혈관세포, 섬유아세포, 면역세포 등)까지 적용한 spheroid 제작이 가능하게 되었음

• ╶︎※ 서울대학교 신근유 교수 연구팀에서 3D printer를 이용한 assembloid를 개발(’20 Nature)

• ╶︎※ Marchal 그룹에서 3D printer를 이용하여 암 줄기세포, 섬유아세포, 중간엽줄기세포 등을 Multi -layerd을 printing하여 암 미세환경을 모사함(’23 Biofabrication)

• ╶︎또한 인체의 세포외 기질과 높은 유사성을 나타내는 나노섬유기반 3차원 세포배양이 가능하게 되어 보다 균질한 spheroid 제작이 가능하게 되었음

• ╶︎※ 포항공대 김동성 교수 연구팀에서 나노섬유 마이크로웰 Array 개발(’21 Biofabrication)

• ╶︎※ Xu 그룹에서는 세포간 나노섬유/ 겔을 유도하여 spheroid의 형성 연구(’23 Nat Nanotechnology)

• ○암 오가노이드

• ╶︎오가노이드를 포함한 3차원 배양 기술은 실제 환자의 환경과 더욱 가까운 암 연구 모델을 개발하기 위한 새로운 방법으로 제시되며, 환자 맞춤치료 실현을 위한 필수적인 기술로 인식되고 있음

• ╶︎암 오가노이드 제작을 위해 종양 생검 조직에서 분리된 세포를 생체 내 기질과 유사한 환경에서 3차원 배양하며, 다양한 종양조직 또는 전이조직 등으로부터 오가노이드 분리 배양할 수 있는 기술이 확립됨

• ╶︎암 오가노이드는 전체 유전체 또는 엑솜 서열 분석 등의 유전체 분석을 통해 변이를 파악하고, 치료 타깃을 발굴할 수 있으며, 여러 종류의 항암제에 대한 민감도 및 내성 발성 여부를 스크리닝하여 환자 맞춤형 정밀의료에 활용될 수 있음

• ╶︎미국 NCI을 중심으로 인체 암 모델 연구 프로젝트(Human Cancer Models Initiative, HCMI)를 구축하여 1천개 이상의 종양 오가노이드를 개발하였으며, NGS 분석 및 항암제의 감수성 검사를 진행하여 데이터를 확보하고 있음. 또한 Biobanking을 위한 동결보전법 개발, 분양을 통해 암 오가노이드의 활용성을 높이고 있음(출처: https://ocg.cancer.gov/programs/HCMI)

• ╶︎유럽의 경우 영국의 암 연구소와 웰컴 트러스트 생거 연구소(Wellcome Trust Sanger Institute), 네덜란드 Hubercht 오가노이드 연구 재단 등에서 미국 NCI와 함께 HCMI 구축을 위한 국제 협약을 체결하였으며, 글로벌 연구 커뮤니티를 형성하여 생체은행화를 진행 중임

• ╶︎암 오가노이드와 섬유세포, 면역세포 등을 추가한 공배양 기술의 발전을 통해 암 주위의 미세환경을 반영하고자 하는 노력이 진행되고 있음. 특히, 종양 미세환경의 중요한 구성 세포인 CAF, 혈관 등 종양 미세환경이 유지되는 종양 조직을 체외에서 오가노이드 형태로 배양하고 계대배양 및 동결까지 가능해졌으며 이를 이용하여 면역항암제에 대한 유효성 평가가 가능하게 됨(’22 Front. Oncol.지 발표)

...................(계속)

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